WO2007051882A2 - Dispositivo para la medida de campos magnéticos continuos basado en óxidos mixtos de manganeso con estructura tipo perovskita - Google Patents
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Definitions
- the present invention is part of the Magnetic Sensors and Magnetic Materials sector and consists of a device capable of detecting and measuring both the magnitude and the direction of continuous magnetic fields. It is based on the use of materials that have colossal magnetoresistance (MRC).
- the magnetoresistance (MR) is the variation of the electrical resistance of a material as a consequence of the variation of its magnetization state when subjected to the action of a magnetic field. This property is, therefore, very useful when it comes to detecting and measuring magnetic fields and, as such, is used in numerous fields of technology such as magnetic field sensors, positioners, reading heads in recording equipment or magnetic memories. , etc.
- the present invention has as its main advantage the fact that it is capable of detecting and measuring continuous magnetic fields between 0 and 9 T with an accuracy of the order of 1 Oe, as well as of Determine your orientation.
- the present invention uses massive material prepared by ceramic method which simplifies its preparation and significantly reduces costs.
- the Magnetoresistance is therefore negative and, given its extraordinary value (which can be 100%), it is called giant or colossal magnetoresistance.
- the maximum values of MR in these materials are reached at temperatures close to their temperature of Curie (Tc).
- the magnetization state varies depending on the oxidation state of the Mn and the procedure, usually more used, to modify the oxidation state of the Mn, is to vary the value of x.
- the 1-x Ca x Mn ⁇ 3 system has an antiferromagnetic and insulating character for 0 ⁇ x ⁇ 0.15 and 0.45 ⁇ x ⁇ 1, while in the range 0.15 ⁇ x ⁇ 0.45 the system presents a ferromagnetic and metallic behavior. In this interval, the system also has high MR values.
- the first requirement would be to increase the Curie temperature at least to room temperature. It is a known fact that by increasing the ionic radius of the cations located at positions A of the perovskite ABO 3 structure, the Curie temperature of the materials increases (HY Hwang et al., Phys. Rev. Lett. 75, 914, (1995) ), reaching up to 360 K for the material La 2 Z 3 Sr ⁇ 3 MnO 3 .
- EP 0763 748 describes a sensor formed by a massive perovskite magnetoresistive element next to which a magnetically soft material is placed, which locally increases the magnetic field and, therefore, improves the sensitivity of the device.
- the soft material becomes saturated, the sensitivity no longer changes, so the device only serves low fields (typically below 100 Oe).
- the sensitivity of the device has been improved remarkably, by:
- compositional materials ( 1- x Ca x ) 2 MnO 3 , whose values of z and x are adjusted so that the average oxidation state of Mn is constant and equal to 3.5, have greater sensitivity to the presence of magnetic fields, without resorting to the manufacture of thin films or including any other magnetic element.
- sensors capable of not only measuring the intensity of the magnetic fields but also of detecting their orientation.
- Said sensor is based on the aforementioned effect of colossal magnetoresistance that these mixed Mn oxides with perovskite-like structure (ABO 3 ) possess.
- the sensor (figure la) consists of a control module consisting of:
- thermometer to apply the corresponding corrections, since the resistance also depends on the temperature at which the sensor is.
- the integration of the tablet into the sensor is carried out by means of two contacts located on one side of the tablet and at opposite ends of a diameter of the face, as far away as possible from each other. These contacts are fixed to the tablet and the rest of the device by contacts of gold (or any other metal) evaporated on the tablet.
- the tablet is integrated as unknown resistance in a Wheatstone bridge.
- the bridge is fed with a source stabilized in intensity and variable voltage in order to optimize the sensor response.
- the rest of the bridge resistors are non-inductive and calibrated.
- the potential drop that occurs in the Wheatstone bridge is collected in an operational amplifier in order to increase the signal obtained in voltage.
- the amplified signal is sent to an external data recording device ( Figure Ib).
- the magnetoresistant material tablet (the sensor element) must have a height that, at least, is an order of magnitude smaller than its radius, and uniaxial symmetry so that the effect of the desimanador field is appreciable. Since the saturation magnetization of these materials is high, the effect of the desimanador field is intense and appreciable. Therefore, when the tablet has a strong anisotropy of shape, the magnetic field inside the tablet does not depend only on the external field but also on the orientation of the field with respect to the tablet. This means that the magnetic field inside the tablet is maximum when the external magnetic field is parallel to its plane, and minimum when it is perpendicular. As a result of this phenomenon, the variation of the resistance of the material also depends on the orientation of the field with respect to the axis of the tablet. Figure 2 illustrates this behavior, showing the magnetoresistance curve for two different orientations of the field.
- the resistance value will only depend on the intensity of said field.
- the relationship between resistance and field strength is known by pre-calibrating the sensor in the laboratory.
- the mixed manganese oxide, with perovskite structure (ABO 3 ), which has giant magnetoresistance and which constitutes the sensing element of the device has the following general formula: [Ln 1-x (T 1-y T ' y ) x ] z MnO 3
- - Ln Lanthanum, a lanthanide element, or a mixture of two or more lanthanides.
- - T and T ' alkaline earth metals or Pb
- composition intervals at which high values of colossal magnetoresistance are obtained are:
- the mixed oxides used to manufacture the sensor element of the device are synthesized by the ceramic method and once obtained pure they are integrated into the sensor in the form of a cylindrical tablet.
- the synthesis of the materials constituting the magnetoresistant core of the sensor, that is, the tablet, is described in detail.
- the procedure for the synthesis of the system materials ( 1-x Ca x ) z Mn ⁇ 3 is detailed.
- starting reagents La 2 O 3 , CaCO 3 (or SrCO 3 according to composition) and MnO 2 have been used .
- the reagents were subjected to a preliminary heat treatment (La 2 O 3 at 925 0 C, CaCO 3 and MnO 2 at 15O 0 C all of them for 24 h). 5 g of each material were prepared from the necessary stoichiometric amounts.
- the reagents were mixed until a homogeneous mixture was obtained in an agate mortar.
- a first treatment at 900 0 C for 24 h heat treatments were performed in synthesis alumina crucibles according to the following reaction sequence. Then, treatments are carried out at 1400 0 C with intermediate grinding until a total of 120 h of heat treatment is completed. At the end of the process the samples are cooled sharply to room temperature. For z ⁇ 0.95, an additional heat treatment is required at 1300 0 C for 12 h in oxygen stream and a cooling of 6 o C / min to room temperature.
- the tablet obtained is treated for 24 hours in air at 1400 0 C if z> 0.95 and 1300 0 C in oxygen current if z ⁇ 0.95. Once obtained the tablet is integrated into the sensor.
- Figure Ib Electronic scheme of the control module (2) of the magnetic field measuring device consisting of: 1. Magnet-resistant oxide tablet; 6. Non-inductive calibrated resistance; 7. Power supply stabilized in intensity; 8. Operational amplifier.
- Figure 2 Variation of the potential difference against the magnetic field applied at room temperature, in two different orientations of the uniaxial axis of the magnet-resistant material tablet.
- Figure 3 Variation of the magnetoresistance value as a function of temperature, at an applied field of 9 T, for three specific compositions.
- Figure 4 Diagram of the device with the different elements that compose it: 1. Magnet-resistant oxide tablet, 3. Processor, 4. LCD screen, 5. Thermocouple, 8. Amplifier, 9. Wheatstone bridge.
- Figure 5 Description of the sensor electronic circuits: 1. Magnetoresistive material, 7. Power supply, 8. Amplifier, 9. Wheatstone bridge, 10. Range selector and 11. Zero adjustment.
- Figure 6 Amplifier output voltage curve with an output resistance of 500 Ohms (equivalent to 100 gain).
- Figure 7 Amplifier output voltage as a function of the resistance for a 10000 Oe field.
- the inset shows the linear relationship between the output voltage and the inverse of the resistance.
- the general scheme of the device is described in Figure 4.
- the main elements are a power supply (which could also be powered by portable batteries) for the Wheatstone bridge, the bridge itself, an amplification stage, and the reading of the data by a microprocessor with its corresponding output to a screen.
- the magnetoresistive material tablet has the composition (La 0-78 Sro. 22 ) or. 90 Mn0 3 . It is inserted into a circuit with a Wheatstone bridge.
- the power system (see figure 5) consists of a rectifier formed by a diode bridge together with capacitors, which give a stable continuous voltage output from 220 AC voltage. This stage can be eliminated if the system is powered directly with a direct current source (either external power source or with portable batteries).
- the resistances that are inserted in the bridge are thermally stable resistors that barely change with the temperature to allow the device to operate in a wide range of temperatures and avoid deviations due to the heating of the device. In addition, it has a minimum induction.
- the circuit has a variable resistance that allows the bridge to be balanced (set the output to zero) and which is used to adjust the "zero" of the equipment (see figure 5).
- the output signal of the bridge (imbalance) between its branches passes through a filter to partially eliminate the noise and enters an operational instrumentation amplifier model INA 114 (replaceable with another with characteristics suitable for the purpose).
- the gain of said amplifier can be varied between 1 and 10,000 depending on the resistance. Placing a set of resistors (R9 - Rl 2) and a selector that connects one of them to the operational one, a control is available that allows to choose the gain and therefore the range of operation of the sensor.
- Figure c shows the output signal of the circuit as a function of the magnetic field using an operational resistance of 500 Ohms (corresponding to a gain of 100).
- Figure 6 shows the output voltage for a field of 10,000 Oe depending on the resistance chosen, which is equivalent to varying the sensitivity of the equipment.
- This circuit output signal enters a microprocessor that also receives the signal from a thermocouple.
- the microprocessor determines the temperature from the thermocouple signal and chooses the signal calibration curve of the magnetic circuit-field corresponding to it. With this curve and, constantly reading the amplifier signal, calculate the value of the magnetic field that appears on the screen.
- the microprocessor can read voltages with a sensitivity of mV. With the output resistance of 500 Ohms, the sensitivity of the amplifier output (prior to the microprocessor) is 0.1 mV per Oe which means that the equipment has a resolution of 10 Oe (see figure 6). Changing the output resistance to one of 5
- the gain of the amplifier increases 100 times (figure 7), so the resolution would be 0.1 Oe, which is really remarkable for a device that can measure fields of several tesla and in a wide range of temperatures .
- This sensitivity is obtained thanks to the combination of a material with a very high magnetoresistance together with an electronics developed to minimize noise so that the signal-to-noise ratio of the device is very high.
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Abstract
Dispositivo para la medida de campos magnéticos continuos basado en óxidos mixtos de manganeso con estructura tipo perovskita. Dispositivo para la medida de campos magnéticos continuos basado en óxidos mixtos de La-Ca-Sr-Mn con estructura tipo perovskita capaz de detectar campos magnéticos continuos con intensidades comprendidas entre 0 y 9 T, medir su intensidad con una precisión de 1 Oe (1 T = 10.000 Oe) y su orientación, todo ello en un amplio intervalo de temperatura. Su elemento sensor consiste en una pastilla cilindrica con un espesor de, al menos, un orden de magnitud menor que su diámetro, del óxido mixto con una cantidad controlada de vacantes catiónicas en la subred A de la misma. Dicho material presenta variaciones apreciables de resistencia eléctrica en función del campo magnético aplicado.
Description
TITULO
Dispositivo para la medida de campos magnéticos continuos basado en óxidos mixtos de manganeso con estructura tipo perovskita
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se enmarca en el sector de los Sensores Magnéticos y de los Materiales Magnéticos y consiste en un dispositivo capaz de detectar y medir tanto la magnitud como la dirección de campos magnéticos continuos. Se basa en el uso de materiales que poseen magnetorresistencia colosal (MRC). La magnetorresistencia (MR) es la variación de la resistencia eléctrica de un material como consecuencia de la variación de su estado de imanación al estar sometido a la acción de un campo magnético. Dicha propiedad es, por tanto, muy útil a la hora de detectar y medir campos magnéticos y, como tal, se utiliza en numerosos campos de la tecnología tales como sensores de campos magnéticos, posicionadores, cabezales de lectura en equipos de grabación o memorias magnéticas, etc. Es necesario destacar que dentro de los sensores basados en la magnetorresistencia la presente invención tiene como principal ventaja el hecho de que es capaz de detectar y medir campos magnéticos continuos comprendidos entre 0 y 9 T con una precisión del orden de 1 Oe, así como de determinar su orientación. Además, a diferencia de la mayoría de los sensores magnetorresistivos que utilizan una película delgada como elemento básico, la presente invención utiliza material masivo preparado por método cerámico lo que simplifica su preparación y reduce notablemente los costes.
ESTADO DE LA TÉCNICA Se conoce desde hace años que la resistencia eléctrica de los metales ferromagnéticos comunes (Fe, Co, Ni...) y de algunas de sus aleaciones, aumenta cuando está sometida a la acción de un campo magnético y, por tanto, presentan magnetorresistencia positiva (MR=R(H1O)-R(H=O)ZR(H=O)). A mediados de la década de los 90 se descubrió que óxidos mixtos con estructura tipo perovskita (ABO3) de fórmula general Ln1-xTxMnO3 (Ln = La, Pr, Nd,.. y T=Ca, Sr, Ba, Pb...) presentan una gran variación de su resistencia eléctrica bajo la acción de campos magnéticos. En estos materiales, a diferencia de lo que sucedía con los metales, la resistencia disminuye, la
magnetorresistencia es, por tanto, negativa y, dado su extraordinario valor (que puede llegar a ser del 100%), se la denomina magnetorresistencia gigante o colosal. Dado que la variación de la resistencia eléctrica de estos materiales está asociada a la variación en su estado de imanación y que éste transita desde un estado paramagnético a otro ferromagnético, los valores máximos de MR en estos materiales se alcanzan a temperaturas próximas a su temperatura de Curie (Tc).
Es un hecho conocido que en el sistema Ln1-xTxMn03, el estado de imanación varía en función del estado de oxidación del Mn y el procedimiento, habitualmente más usado, para modificar el estado de oxidación del Mn, es variar el valor de x. Así, el sistema La1-xCaxMnθ3 presenta un carácter antiferromagnético y aislante para 0 < x < 0,15 y 0,45 < x < 1, mientras que en el intervalo 0,15 < x < 0,45 el sistema presenta un comportamiento ferromagnético y metálico. En dicho intervalo, el sistema tiene, además, altos valores de MR. La temperatura de Curie máxima se alcanza para x=0,33 y tiene un valor de Tc=270 K y, aproximadamente, un 80 % de MR a dicha temperatura y 9 T de campo aplicado, valores todos ellos inapropiados para su utilización en la fabricación de sensores. Para su posible uso tecnológico, el primer requerimiento sería aumentar la temperatura de Curie al menos hasta temperatura ambiente. Es un hecho conocido que aumentando el radio iónico de los cationes situados en las posiciones A de la estructura perovskita ABO3 la temperatura de Curie de los materiales aumenta (H. Y. Hwang et al, Phys. Rev. Lett. 75, 914, (1995)), llegando hasta 360 K para el material La2Z3Sr^3MnO3. Sin embargo, estos materiales necesitan todavía la aplicación de campos magnéticos de decenas de kOe para obtener porcentajes de MR importantes. Será necesario disminuir, al menos, en un orden de magnitud la intensidad de los campos magnéticos para que dichos materiales puedan presentar aplicaciones tecnológicas. Una forma de disminuir la intensidad de los campos magnéticos es utilizando materiales en forma de película delgada; de hecho, existen numerosas patentes sobre detectores de campo magnético basadas en materiales magnetorresistivos tipo perovskitas (US 6496004, ES 2 086 993, ES 086 994, US 5792569 y ES 2 062 008) que utilizan películas delgadas o multicapas (que inducen una fuerte anisotropía). La preparación de estas capas delgadas se realiza mediante técnicas como la pulverización catódica (sputtering), la ablación láser o el
depósito epitaxial por haces moleculares. Todas estas técnicas requieren equipos de alto vacío que encarecen enormemente la fabricación del elemento magnetorresistivo. Por ello, la utilización de un elemento magnetorresistivo masivo fabricado por el método cerámico reduciría enormemente los costes de producción. No obstante, hasta la fecha no se disponía de materiales que en forma masiva presentaran una sensibilidad suficientemente elevada. Además, ninguna de estas patentes describe el funcionamiento del sensor a distintas temperaturas.
Para evitar este problema, en la patente EP 0763 748 se describe un sensor formado por un elemento magnetorresistivo tipo perovskita masivo junto al que se pone un material magnéticamente blando, que aumenta localmente el campo magnético y, por ello, mejora la sensibilidad del dispositivo. Sin embargo, cuando el material blando se satura, ya no cambia la sensibilidad, por lo que el dispositivo sólo sirve para campos bajos (típicamente por debajo de 100 Oe).
Otra patente que utiliza un elemento sensor de tipo perovskita masivo, se describe en la patente US 6304083. Este sistema se basa en medidas de la magnetorresistencia sin cambios en la inducción sobre una bobina por la que circula una corriente de radiofrecuencia. Por ello, el sistema requiere el uso de una fuente de radiofrecuencia y un oscilador LC.
En la presente invención se ha conseguido mejorar la sensibilidad del dispositivo notablemente, mediante:
-El diseño de un material que, por medio de la creación de vacantes catiónicas en la subred A de la estructura perovskita, presenta temperaturas de Curie más altas y porcentajes de MR mayores a campos magnéticos más bajos.
-El diseño de un circuito electrónico que permite amplificar la señal disminuyendo el ruido.
Esto ha permitido desarrollar un sensor formado por un elemento masivo, que funciona en un amplio margen de campos y temperaturas, con gran sensibilidad. En efecto, la presente invención pone de manifiesto que materiales de composición (La1- xCax)2MnO3, cuyos valores de z y x se ajustan para que el estado de oxidación medio del Mn sea constante e igual a 3,5, presentan mayor sensibilidad a la presencia de campos magnéticos, sin necesidad de recurrir a la fabricación de películas delgadas ni de incluir ningún otro elemento magnético. Además, preparando los materiales en forma de pastilla cilindrica, es posible fabricar sensores capaces no sólo de medir la intensidad de los campos magnéticos sino también de detectar la orientación de los mismos.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención recoge la fabricación de un sensor capaz de detectar campos magnéticos continuos con intensidades comprendidas entre 0 y 9 T, medir su intensidad con una precisión del orden de 1 Oe (1 T = 10.000 Oe) y su orientación, todo ello, en un amplio intervalo de temperatura. Dicho sensor está basado en el citado efecto de magnetorresistencia colosal que poseen estos óxidos mixtos de Mn con estructura tipo perovskita (ABO3).
El sensor (figura la) está constituido por un módulo de control que consta de:
una pastilla de un óxido mixto de Mn con magnetorresistencia colosal
- toda la electrónica necesaria para medir con precisión el valor de la resistencia y eliminar el ruido electrónico.
un termómetro para aplicar las correcciones correspondientes, ya que la resistencia depende también de la temperatura a la que se encuentra el sensor.
un chip con los datos de relación entre resistencia y campo magnético, obtenidos por calibrado en el laboratorio, de manera que, a partir de los datos de
resistencia que mide el circuito, puede calcular el valor del campo magnético y mostrarlo en una pantalla.
La integración de la pastilla en el sensor se realiza mediante dos contactos situados en una cara de la pastilla y en extremos opuestos de un diámetro de la cara, alejados lo más posible uno del otro. Estos contactos se fijan a la pastilla y al resto del dispositivo mediante contactos de oro (o cualquier otro metal) evaporados sobre la pastilla. La pastilla se integra como resistencia desconocida en un puente de Wheatstone. El puente se alimenta con una fuente estabilizada en intensidad y de voltaje variable con el fin de optimizar la respuesta del sensor. El resto de las resistencias del puente son de tipo no inductivo y de valores calibrados. La caída de potencial que se produce en el puente de Wheatstone se recoge en un amplificador operacional con el fin de aumentar la señal obtenida en voltaje. La señal amplificada se envía a un dispositivo externo de registro de datos (Figura Ib).
La pastilla del material magnetorresistente (el elemento sensor) debe poseer una altura que, al menos, sea un orden de magnitud menor que su radio, y simetría uniáxica para que el efecto del campo desimanador sea apreciable. Puesto que la imanación de saturación de estos materiales es elevada, el efecto del campo desimanador resulta intenso y apreciable. Por ello, al presentar la pastilla una fuerte anisotropía de forma, el campo magnético en el interior de la pastilla no depende solo del campo externo sino de la orientación del campo respecto de la pastilla. Ello hace que el campo magnético en el interior de la pastilla sea máximo cuando el campo magnético externo es paralelo al plano de la misma, y mínimo cuando es perpendicular. Como resultado de este fenómeno, la variación de la resistencia del material también depende de la orientación del campo respecto del eje de la pastilla. La figura 2 ilustra este comportamiento, mostrando la curva de magnetorresistencia para dos orientaciones distintas del campo.
Al mover el sensor en presencia de un campo magnético, se observan variaciones en la medida de la resistencia, que es mínima cuando el campo es paralelo al eje de la pastilla. De esta forma se puede determinar la orientación del campo. Una vez
2
6
conocida la dirección del campo y orientado el sensor en dicha dirección, el valor de la resistencia solo dependerá de la intensidad de dicho campo. La relación entre resistencia e intensidad del campo se conoce mediante un calibrado previo del sensor en el laboratorio.
El óxido mixto de manganeso, con estructura tipo perovskita (ABO3), que posee magnetorresistencia gigante y que constituye el elemento sensor del dispositivo tiene la siguiente fórmula general: [Ln1-x(T1-yT'y)x]zMnO3
- Ln = Lantano, un elemento lantánido, o una mezcla de dos o más lantánidos. - T y T' = Metales alcalinotérreos o Pb
tanto T como T' pueden ser sustituidos ocasionalmente por pequeñas cantidades de metales alcalinos. Además, los intervalos de composición en los que se obtienen altos valores de magnetorresistencia colosal son:
0 < x <1
O ≤ y ≤l - 0,85 < z <1
donde los valores de x, y, z, se ajustan de tal forma que el estado de oxidación medio del Mn sea siempre 3,5. Además, en función de cuÁles sean los cationes Ln, T y T' y modificando adecuadamente los valores de las variables x, y, z es posible modificar la temperatura de Curie del material y variar la temperatura a la cual la magnetorresistencia es máxima, tal y como se recoge en la figura 3.
Los óxidos mixtos utilizados para la fabricación del elemento sensor del dispositivo se sintetizan por el método cerámico y una vez obtenidos puros se integran en el sensor en forma de pastilla cilindrica.
A continuación se describe, de forma detallada, la síntesis de los materiales que constituyen el núcleo magnetorresistente del sensor, es decir, la pastilla.
Procedimiento de síntesis
A modo de ejemplo, se detalla el procedimiento de síntesis de los materiales del sistema (La1-xCax)zMnθ3. Como reactivos de partida se han empleado La2O3, CaCO3 (o SrCO3 según composición) y MnO2. Los reactivos se sometieron a un tratamiento térmico preliminar (La2O3 a 925 0C, CaCO3 y MnO2 a 15O0C todos ellos durante 24 h) Se prepararon 5 g de cada material a partir de las cantidades estequiométricas necesarias. Los reactivos se mezclaron hasta obtener una mezcla homogénea en un mortero de ágata. Los tratamientos térmicos de síntesis se realizaron en crisoles de alúmina, según la siguiente secuencia de reacción: un primer tratamiento a 900 0C durante 24 h. A continuación, se realizan tratamientos a 14000C con moliendas intermedias hasta completar un total de 120 h de tratamiento térmico. Al final del proceso se enfrían las muestras bruscamente hasta temperatura ambiente. Para z < 0.95, es necesario un tratamiento térmico adicional a 13000C durante 12 h en corriente de oxígeno y un enfriamiento de 6o C/min hasta temperatura ambiente. Una vez obtenidos los materiales, es necesario para su integración en el sensor, su preparación en forma de pastilla con un espesor entre 0.5 y 1 mm. Estas pastillas se obtienen por prensado en frío en un troquel de acero de 13 mm de diámetro, con una presión aplicada de 10 Ton/cm2. La pastilla obtenida se trata durante 24 h al aire a 1400 0C si z>0,95 y 1300 0C en corriente de oxígeno si z < 0,95. Una vez obtenida la pastilla se integra en el sensor.
Procedimiento de integración en el circuito
Se fabrican dos contactos sobre la pastilla separados por una distancia aproximada de 10 mm y se utilizan para integrar la pastilla en un puente de Wheatstone con resistencias de 200 Ohms de alta estabilidad térmica. Puesto que la resistencia de la pastilla es del orden de 0,02 Ohms, el puente está prácticamente equilibrado y el circuito apenas consume energía. Aplicando un potencial de entrada de 3V (7 en la
figura 2) y considerando la curva de magnetorresistencia del material (figura 3), el voltaje de salida que se obtiene (8 en la figura 2) presenta una dependencia del campo H del orden de 100 nV /Oe. Además, debido a la presencia del puente de Wheatstone, el nivel de ruido de esta señal es muy bajo. Por ello puede amplificarse mediante un amplificador operacional, lo que dotaría al sistema de una resolución del orden de 1 Oe.
Descripción de las figuras
Figura la: Esquema del dispositivo de medida de campos magnéticos compuesto de 1 pastilla de óxido magnetorresistente; 2. Módulo electrónico de control; 3. Chip de relación resistencia-campo magnético; 4. Pantalla LCD; 5. Termómetro.
Figura Ib: Esquema electrónico del módulo de control (2) del dispositivo de medida de campos magnéticos compuesto por: 1. Pastilla de oxido magnetorresistente; 6. Resistencia calibradas no inductivas; 7. Fuente de alimentación estabilizada en intensidad; 8. Amplificador operacional.
Figura 2: Variación de la diferencia de potencial frente al campo magnético aplicado a temperatura ambiente, en dos orientaciones diferentes del eje uniáxico de la pastilla del material magnetorresistente.
Figura3: Variación del valor de magnetorresistencia en función de la temperatura, a un campo aplicado de 9 T, para tres composiciones específicas.
Figura 4: Esquema del dispositivo con los distintos elementos que lo componen: 1. Pastilla de óxido magnetorresistente, 3. Procesador, 4. Pantalla LCD, 5. Termopar, 8. Amplificador, 9. Puente de Wheatstone.
Figura 5: Descripción de los circuitos electrónicos del sensor: 1. Material magnetorresistivo, 7. Fuente de alimentación, 8. Amplificador, 9. Puente de Wheatstone, 10. Selector de rango y 11. Ajuste de cero.
Figura 6: Curva de tensión de salida del amplificador con una resistencia de salida de 500 Ohms (equivalente a ganancia 100).
Figura 7: Tensión de salida del amplificador en función de la resistencia para un campo de 10000 Oe. El inset muestra la relación lineal entre la tensión de salida y el inverso de la resistencia.
Modo de realización de la invención
La presente invención se ilustra con el siguiente ejemplo que no es limitativo del alcance la invención.
El esquema general del dispositivo viene descrito en la figura 4. Los principales elementos son una fuente de alimentación (que también se podría alimentar con baterías portátiles) para el puente de Wheatstone, el propio puente, una etapa de amplificación, y la lectura de los datos por parte de un microprocesador con su correspondiente salida a una pantalla.
La pastilla de material magnetorresistivo tiene como composición (La0-78 Sro.22)o.90Mn03. Se inserta en un circuito con un puente de Wheatstone. El sistema de alimentación (ver figura 5) consta de un rectificador formado por un puente de diodos junto con condensadores, que dan una salida de tensión continua estable a partir de tensión de 220 AC. Esta etapa se puede eliminar si se alimenta directamente el sistema con una fuente de corriente continua (ya sea fuente de alimentación externa o con baterías portátiles). Las resistencias que se insertan en el puente son resistencias térmicamente estables que apenas cambian con la temperatura para permitir el funcionamiento del dispositivo en un amplio intervalo de temperaturas y evitar desviaciones debido al calentamiento del dispositivo. Además, presenta una inducción mínima.
El circuito dispone de una resistencia variable que permite equilibrar el puente (poner la salida a cero) y que sirve para ajustar el "cero" del equipo (ver figura 5).
La señal de salida del puente (desequilibrio) entre sus ramas pasa por un filtro para eliminar parcialmente el ruido y entra en un amplificador operacional de instrumentación modelo INA 114 (sustituible por otro con características adecuadas al propósito). La ganancia de dicho amplificador puede variarse entre 1 y 10000 dependiendo de la resistencia. Colocando un conjunto de resistencias (R9 - Rl 2) y un selector que conecta una de ellas al operacional, se dispone de un mando que permite elegir la ganancia y por tanto el rango de operación del sensor.
Como ejemplo de la sensibilidad del circuito, la figura c muestra la señal de salida del circuito en función del campo magnético utilizando una resistencia de salida del operacional de 500 Ohms (que corresponde a una ganancia de 100). En la figura 6 se muestra la tensión de salida para un campo de 10000 Oe en función de la resistencia que se elija, lo que equivale a variar la sensibilidad del equipo.
Esta señal de salida del circuito entra en un microprocesador que también recibe la señal de un termopar. El microprocesador determina la temperatura a partir de la señal del termopar y elige la curva de calibración señal del circuito-campo magnético que corresponda a la misma. Con dicha curva y, leyendo de manera constante la señal del amplificador, calcula el valor del campo magnético que aparece en la pantalla.
El microprocesador puede leer tensiones con una sensibilidad de mV. Con la resistencia de salida de 500 Ohms, la sensibilidad de la salida del amplificador (previa al microprocesador) es de 0,1 mV por Oe lo que significa que el equipo tiene una resolución de 10 Oe (ver figura 6). Cambiando la resistencia de salida por una de 5
Ohms, la ganancia del amplificador aumenta 100 veces (figura 7), por lo que la resolución pasaría a ser 0,1 Oe, que es realmente notable para un dispositivo que puede llegar a medir campos de varios tesla y en un amplio margen de temperaturas.
Esta sensibilidad se obtiene gracias a la combinación de un material con una magnetorresistencia muy elevada junto con una electrónica desarrollada para minimizar el ruido de manera que la relación señal/ruido del dispositivo es muy levada.
Claims
1. Dispositivo para la medida de campos magnéticos continuos basado en óxidos mixtos masivos de manganeso con estructura perovskita caracterizado porque comprende un elemento sensor en forma de pastilla cilindrica y de composición [Lai-X (T1-y T'y)x]z MnO3 donde T = Ca2+, Sr2+ y 0,85 < z < 1.
2. Dispositivo para la medida de campos magnéticos continuos basados en óxidos mixtos masivos de manganeso con estructura perovskita, según reivindicación 1, caracterizado porque las variables x, y, z se pueden modificar con la condición de que el estado de oxidación medio del Mn sea siempre igual a 3,5.
3. Dispositivo para la medida de campos magnéticos continuos basados en óxidos mixtos masivos de manganeso con estructura perovskita, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la pastilla cilindrica debe tener una altura, al menos, un orden de magnitud menor que el diámetro y simetría uniaxial (cilindrica) de tal forma que la variación de la resistencia del material también dependa de la orientación del campo respecto al eje de la pastilla.
4. Dispositivo para la medida de campos magnéticos continuos basados en óxidos mixtos masivos de manganeso con estructura perovskita, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la pastilla que contiene el elemento sensor se integra como resistencia desconocida en un puente de Wheatstone siendo el resto de las resistencias de tipo inductivo y de valores calibrados.
5. Dispositivo para la medida de campos magnéticos continuos basados en óxidos mixtos masivos de manganeso con estructura perovskita, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque es capaz de medir campos magnéticos continuos entre 0 y 90.000 Oe con una precisión de hasta 0,1.
6. Dispositivo para la medida de campos magnéticos continuos basado en óxidos mixtos masivos de manganeso con estructura perovskita, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque permite seleccionar el margen de temperatura óptimo de medida mediante la selección de la composición de la pieza masiva de óxido de manganeso.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 06841670 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A2 |